CN101651646A - 蜂窝接收机的差分接收系统及其实现信号接收的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种蜂窝接收机的差分接收系统及其实现信号接收的方法，包括：对接收到的信号进行过滤后转化为差分信号；对差分信号进行放大和鉴相处理，并对其中一路差分信号的相位进行补偿后，合成处理后的差分信号并进行解调处理。通过本发明对差分线的相位的控制，改善了差分接收系统的相位误差对差分接收机接收灵敏度的影响，提高了差分接收系统的接收灵敏度，而且大大降低了对差分线的布局要求。
Description
技术领域
本发明涉及差分接收系统，尤指一种蜂窝接收机的差分接收系统及其实现信号接收的方法。
背景技术
形式为差分接收系统的蜂窝接收机很常见。差分接收系统通常包括天线，滤波器，巴仑，差分线和后端接收设备。其中，天线用于接收通过空间传输的射频信号；滤波器用于滤除通信频段外的干扰；巴仑用于将天线接收后的信号分成两路，其中一路信号和另外一路信号之间的相位差的绝对值约为180度，即此两路信号的相位是相反的。值得一提的是：由于差分信号间的时延差值可以由差分信号间的相位差值唯一地得到，反之亦然。因此一般认为差分信号间的时延差值和差分信号间的相位差反映出的问题是相同的。通常情况下，滤波器和巴仑会集成在一个器件中。差分线通常用于传输巴仑输出后的两路信号，因为这两路信号通路上传输的信号的相位是相反的，因此习惯上将这两条信号通路称作差分线。后端接收设备一般采用模块化设计，集成了差分信号合成器，低噪声放大器(LNA)，信号解调器，信号的采集和信号的后处理等模块。差分接收系统有抑制共模干扰的优点，因此在蜂窝接收机中得到了广泛应用。
在差分接收系统中，两路信号通路上传输的信号之间的相位差的绝对值最优值是180度，此时，两路信号在差分信号合成器中合成后的幅度是最大的，不存在由于相位/时延的问题而造成的信号幅度上的衰落。然而，实际情况是，巴仑输出后的两路差分信号之间的相位差的绝对值并不恰好为180度，随着差分信号之间的相位差的绝对值围绕着180度进行上下波动，差分信号合成器合成后的信号在幅度上的衰落也会随之进行相应的波动。更重要的是，当两条差分线的状态不一致时，例如长短和拐角数量，信号走过此两条通路所花的时间也是不一致的，因此也会造成相位差的波动，并最终造成差分信号合成器合成后的信号在幅度上的衰落。随着移动终端的形状不断缩小，因此可用于差分线进行走线的布局面积也在不断减小，因此，通常会造成差分线的两条通路的状态有较大的不同，造成差分信号之间的相位差的绝对值偏离最优的180度，最终导致差分接收系统接收灵敏度的下降。
图1为现有技术中一个典型的蜂窝接收机中的差分接收机的组成结构示意图，如图1所示，包括天线100、滤波器102、信号传输线104、巴仑106、差分线+108、差分线-110，以及信号放大和解调模块150。
其中，天线100用于接收空间传输的无线电波，对于蜂窝通信系统，就是接收从基站发送的射频信号。天线100接收的信号包含着较多的干扰信号，直接进行解调会存在较大的问题，因此，需先将天线100接收的信号输入到滤波器102中进行滤波处理，此时的信号是单端信号而不是差分信号。
为了抑制信号传输过程中的共模干扰，需将经过滤波的单端信号转化为差分信号再进行传递。在经过滤波器102之后，经信号传输线104输入到巴仑106，经巴仑106转化为差分信号，所以从巴仑输出的信号是需要通过两条传输线进行传输的。另外，值得一提的是在现有技术中，滤波器和巴仑通常集成在一颗器件中，但是实际上滤波器是两个系统单元。从巴仑输出的信号为差分信号，两路差分信号分别通过差分线+108和差分线-110进行传输。
两路差分信号会进入信号放大和解调模块150进行处理。信号放大和解调模块150包括低噪声放大器152和信号解调设备156。首先，差分信号输入到低噪声放大器152进行放大，提高接收信号的信噪比，同时，此差分信号会在低噪声放大器152中进行合成，转化为单端信号，通过传输线154，输入到信号解调设备156进行解调和相关处理后，这样，就完成了信号的接收。
上述差分接收系统的信号传输过程中，在巴仑106将信号从单端信号转化为差分信号的过程中，不能保证输出的差分信号的相位差的绝对值为最优的180度，因此，巴仑输出的信号会有一个差分信号的相位偏离最优值的误差。在实际应用中，通常将此性能通过相位平衡(Phase Balance)进行描述。同时，当信号在差分线+108和差分线-110上进行传输时，由于两条差分线的电特性不可能做到完全相同，因此，信号在差分线+108与差分线-110上产生的时延也不会完全相同，而传输时延会直接导致差分信号的相位差的改变。正是由于巴仑104，以及差分线+108和差分线-110的存在，会导致差分信号的相位一定会有一个偏离最优值的误差，而差分信号的相位差的偏差是最直接地导致差分接收机接收灵敏度下降的重要原因之一。
目前，一般的布板中，差分线的两条通路之间会存在40度左右的相位差，对应的接收灵敏度下降在1.1dB。然而，从大于40度开始，接收灵敏度的恶化就会随着相位的变化不断加快。在50度时，接收灵敏度下降1.8dB。在60度时，损耗在2.9dB。但是，在10度和20度时，接收灵敏度下降仅为0.015dB和0.2dB。
随着手机等蜂窝移动设备的不断减小以及降低成本等需要，留给电路布局的空间越来越小。由于布局所限，差分线的走线过程中存在拐角是很正常的，经过测算，一个拐角大约会引起30度左右的附加相位差，此相位差加上巴仑引起的相位差(-10度到+10度之间)再加上差分线不等长造成的相位差(-20度到+20度之间)，共同影响接收灵敏度。因此，每次布板所造成的不确定度就很高。在一些量产的手机中，GSM1800接收灵敏度在-106dBm左右的情况也是很常见的。相对于手机-109.5dBm(考虑了滤波器的损耗)的平台最优接收灵敏度，此类手机接收差分线的相位差在60度～70度之间。
综上所述，在现有技术中，从差分线输入到后段接收设备的差分信号的相位差的绝对值完全由巴仑和差分线决定，没有丝毫的调试余地，不但对差分线的布局要求要高，而且还不能保证差分接收系统的接收灵敏度。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种蜂窝接收机的差分接收系统，能够提高差分接收系统的接收灵敏度，而且能够降低对差分线的布局要求。
本发明的另一目的在于提供一种蜂窝接收机的差分接收系统实现信号接收的方法，能够提高差分接收系统的接收灵敏度，而且能够降低对差分线的布局要求。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种蜂窝接收机的差分接收系统，包括滤波器、巴仑，以及信号放大、鉴相和解调模块，其中，
滤波器，用于对被天线接收到的信号进行滤波；
巴仑，用于将滤波处理后的信号转化为差分信号；
信号放大、鉴相和解调模块，用于对差分信号进行放大和鉴相处理并对其中一路差分信号的相位进行补偿，合成处理后的差分信号并进行解调处理。
所述信号放大、鉴相和解调模块包括低噪声放大器、鉴相单元、数字控相单元和信号解调设备，其中，
低噪声放大器，用于对差分信号进行放大后输出差分信号；
鉴相单元，用于对经过放大后的差分信号进行相位的鉴别和锁定，并合成处理后的差分信号；
数字控相单元，用于对其中一路鉴相单元锁定的相位进行调整；
信号解调设备，用于对合成后的信号进行解调。
所述鉴相单元包括锁相环电路和差分信号合成电路，其中，
每路差分信号上设置有一锁相环电路，用于对该路经过放大后的差分信号进行相位的鉴别和锁定；其中一路锁相环电路受到所述数字控相单元的控制，对锁定的相位进行调整；
差分信号合成电路，用于合成两路锁相环电路输出的差分信号，并输出给所述信号解调设备。
所述数字控相单元包括相位补偿控制电路和相位补偿寄存器，其中，
相位补偿寄存器，用于存储相位控制信息；
相位补偿控制电路，用于按照从相位补偿寄存器中获得的相位控制信息，对所述其中一路鉴相单元锁定的相位进行调整。
一种蜂窝接收机的差分接收系统实现信号接收方法，包括：
对接收到的信号进行过滤后转化为差分信号；
对差分信号进行放大和鉴相处理，并对其中一路差分信号的相位进行补偿后，合成处理后的差分信号并进行解调处理。
所述鉴相处理包括：对经过放大后的差分信号进行相位的鉴别和锁定。
所述对其中一路差分信号的相位进行补偿包括：按照预先设置的相位控制信息，对所述其中一路鉴相单元锁定的相位进行调整。
从上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明包括：对接收到的信号进行过滤后转化为差分信号；对差分信号进行放大和鉴相处理，并对其中一路差分信号的相位进行补偿后，合成处理后的差分信号并进行解调处理。通过本发明对差分线的相位的控制，改善了差分接收系统的相位误差对差分接收机接收灵敏度的影响，提高了差分接收系统的接收灵敏度，而且大大降低了对差分线的布局要求。
附图说明
图1为现有技术中一个典型的蜂窝接收机中的差分接收机的组成结构示意图；
图2为本发明的蜂窝接收机中的差分接收机的组成结构示意图；
图3为本发明蜂窝接收机的差分接收系统实现信号接收的方法的流程图；
图4为本发明鉴相单元和数字控相单元的实施例的组成结构示意图。
具体实施方式
图2为本发明的蜂窝接收机中的差分接收机的组成结构示意图，如图2所示，包括天线200、滤波器202、信号传输线204、巴仑206、差分线+208、差分线-210，以及信号放大、鉴相和解调模块250。其中，信号放大、鉴相和解调模块250包括低噪声放大器252、差分线+254、差分线-256、鉴相单元258、数字控相单元262、信号解调设备266及信号传输线260、信号传输线264。
图2中，低噪声放大器252之前的组成部分和现有技术是完全一致的。通过无线传输的信号首先被天线200接收，之后进入滤波器202中进行滤波，在滤除带外干扰信号后，信号通过传输线204传输到巴仑206并转化为差分信号，再通过差分线+208和差分线-210传输到信号放大、鉴相和解调模块250。
在差分信号通过差分线+208和差分线-210输入到信号放大、鉴相和解调模块250中的低噪声放大器252后进行信号的放大，与现有技术不同的是，低噪声放大器252输出的信号仍然是差分信号，通过差分线+254和差分线-256进行传输，输入到鉴相单元258进行相位的鉴别和锁定，鉴相单元258，用于将两路差分信号的相位分别进行锁定，从而能够保证数字控相单元262对差分信号的相位进行控制。数字控相单元262的相位控制信息通过传输线260对鉴相单元258锁定的相位进行调整，从而达到对差分信号的相位差进行调整的目的。差分信号在进行了相位的补偿之后，在鉴相单元中合成为单端信号。合成后的单端信号通过传输线264，输入到信号解调设备266中进行解调和相关处理，从而完成信号的接收。关于信号解调设备266的具体实现属于现有技术，这里不再赘述。
图3为本发明鉴相单元和数字控相单元的实施例的组成结构示意图，如图3所示，鉴相单元258包括锁相环电路2581和锁相环电路2582、以及差分信号合成电路2583。数字控相单元262包括相位补偿控制电路2621和相位补偿寄存器2622。
鉴相单元258包括从前端设备(即图2中的低噪声放大器252)输入到鉴相单元258的差分线+254和差分线-256。此差分信号分别进入锁相环电路2581和锁相环电路2582进行相位的锁定。数字控相单元262通过传输线260，对锁相环电路2581和锁相环电路2582锁定的相位进行控制，达到相位补偿的目的。
在数字控相单元262中，相位补偿寄存器2622用于通过传输线2623将相位补偿所需的具体数值，以及相位是超前还是滞后等信息发送给相位补偿控制电路2621。通过相位补偿控制电路2621对锁相环电路2582锁定的相位的控制，改变了锁相环电路2581和锁相环电路2582之间的锁定相位差(假设锁相环电路2581的锁定相位是无法控制的)。锁相环电路2581和锁相环电路2582输出的信号分别通过差分线+2584和差分线-2585，传输到差分信号合成电路2583合成为单端信号，并且通过传输线264输出到后端(即图2中的信号解调设备266)进行进一步处理。
如图3所示，整个相位补偿的接收信号的流程是：通过天线接收到信号后，经过滤波器进行滤波，带外干扰已进行了滤除的信号再经过巴仑，从一路信号转化为差分信号，该差分信号经过差分线进行传输，通过差分线输入到低噪声放大器进行放大，将放大后的差分信号各自经过鉴相单元进行鉴相，并用数字控相单元对差分信号的其中一路的相位进行补偿，最后将进行了相位补偿的差分信号输入信号解调设备进行解调。
现有技术中，锁相环电路已经数字化，因此，实现锁相环电路的数字控制可以通过软件进行。通过软件中的寄存器，直接对锁相环的锁定相位进行调控。而且，由于每个蜂窝接收机都有锁相环，本发明中采用的锁相环电路可以采用与接收机中的现有锁相环电路共用的方式，这样最大限度上节约了鉴相单元和数字控相单元的成本。
通过软件中的寄存器，可以在设计的过程中对差分信号的相位进行调节，并进行优化，同时可以直接写到软件中。在产品的硬件最终确定下来后，电路本身对信号相位的影响也就确定了，因此，相位补偿寄存器的数值在硬件调试后就可以写进软件中，在软件每次运行时都执行相同的相位补偿值，而不需要在设备每次进行校准时重写相位补偿寄存器中的值。
另外，大多数通信系统都有一定的带宽，在带宽范围内，差分信号的相位差的绝对值会有波动，这个波动会造成带内的信号相位差出现波纹。因此，在具有一定带宽的差分接收系统中，可以分别对高、中和低信道采用本发明的差分接收系统进行补偿，从而可以达到补偿的最优效果。
图4为本发明蜂窝接收机的差分接收系统实现信号接收的方法的流程图，如图4所示，包括以下步骤：
步骤400：对接收到的信号进行过滤后转化为差分信号。
步骤401：对差分信号进行放大和鉴相处理，并对其中一路差分信号的相位进行补偿后，合成处理后的差分信号并进行解调处理。
本步骤中，鉴相处理包括：对经过放大后的差分信号进行相位的鉴别和锁定。对其中一路差分信号的相位进行补偿包括：按照预先设置的相位控制信息，对所述其中一路鉴相单元锁定的相位进行调整。
通过本发明对差分线的相位的控制，改善了差分接收系统的相位误差对差分接收机接收灵敏度的影响，提高了差分接收系统的接收灵敏度，而且大大降低了对差分线的布局要求。
具体来讲，通过本发明的相位补偿法对差分线的相位进行补偿，在手机接收机之中的锁相环，其最大相位误差一般在-5度～5度之间，最恶劣的情况也在-10度～10度之间，所以差分线的两条通路上都有锁相环的话，一般由相位误差导致的相位漂移的绝对值最大在10度～20度之间，相对应的由相位误差造成的接收机的接收灵敏度下降为0.015dB～0.2dB之间。更大的好处是：由于相位补偿是可以通过寄存器任意调节的，因此，应用本发明差分接收系统的接收机的最大的由于相位漂移引起的衰减仅仅是锁相环相位噪声引起的误差，也就是0.015dB～0.2dB之间。
因此，应用本发明差分接收系统有如下好处：
(1)差分线布局更加随意。
由于差分线造成的相位误差可以通过锁相环和寄存器进行调节，因此，在差分线进行布局时就可以更加随意，可以按照布局需要灵活调节差分线的走线。使布局更灵活。
(2)手机设计更加可靠。
通过分析，现有的差分线的布局引起的最终接收灵敏度的不确定度，是很大的，因此，在布板时需要投入大量的精力，然而具体的相位误差却是不可知的。而应用本发明差分接收系统，在布局之初就知道了接收灵敏度的合理范围，增加了设计的可靠性。
(3)提高差分接收机的接收灵敏度。
应用本发明差分接收系统，由差分接收系统相位误差引起的接收灵敏度的下降为0.015dB～0.2dB之间，而现有方式的由相位漂移造成的接收灵敏度的下降通常为1.1dB。因此，大大提高了差分接收机的接收灵敏度(至少1dB)。
(4)不增加整个差分接收系统的成本。
锁相环电路在接收机中是很常见的，而且调节锁相环电路的相位差仅仅通过调节控制锁相环的寄存器就可以做到。在调整结束之后，将调整值直接写入软件即可，锁相环电路和控制锁相环的寄存器都没有生成额外的成本。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1、一种蜂窝接收机的差分接收系统，其特征在于，包括滤波器、巴仑，以及信号放大、鉴相和解调模块，其中，
滤波器，用于对被天线接收到的信号进行滤波；
巴仑，用于将滤波处理后的信号转化为差分信号；
信号放大、鉴相和解调模块，用于对差分信号进行放大和鉴相处理并对其中一路差分信号的相位进行补偿，合成处理后的差分信号并进行解调处理。
2、根据权利要求1所述的差分接收系统，其特征在于，所述信号放大、鉴相和解调模块包括低噪声放大器、鉴相单元、数字控相单元和信号解调设备，其中，
低噪声放大器，用于对差分信号进行放大后输出差分信号；
鉴相单元，用于对经过放大后的差分信号进行相位的鉴别和锁定，并合成处理后的差分信号；
数字控相单元，用于对其中一路鉴相单元锁定的相位进行调整；
信号解调设备，用于对合成后的信号进行解调。
3、根据权利要求2所述的差分接收系统，其特征在于，所述鉴相单元包括锁相环电路和差分信号合成电路，其中，
每路差分信号上设置有一锁相环电路，用于对该路经过放大后的差分信号进行相位的鉴别和锁定；其中一路锁相环电路受到所述数字控相单元的控制，对锁定的相位进行调整；
差分信号合成电路，用于合成两路锁相环电路输出的差分信号，并输出给所述信号解调设备。
4、根据权利要求2所述的差分接收系统，其特征在于，所述数字控相单元包括相位补偿控制电路和相位补偿寄存器，其中，
相位补偿寄存器，用于存储相位控制信息；
相位补偿控制电路，用于按照从相位补偿寄存器中获得的相位控制信息，对所述其中一路鉴相单元锁定的相位进行调整。
5、一种蜂窝接收机的差分接收系统实现信号接收的方法，其特征在于，包括：
对接收到的信号进行过滤后转化为差分信号；
对差分信号进行放大和鉴相处理，并对其中一路差分信号的相位进行补偿后，合成处理后的差分信号并进行解调处理。
6、根据权利要求5所述的差分接收系统实现信号接收的方法，其特征在于，所述鉴相处理包括：对经过放大后的差分信号进行相位的鉴别和锁定。
7、根据权利要求5所述的差分接收系统实现信号接收的方法，其特征在于，所述对其中一路差分信号的相位进行补偿包括：按照预先设置的相位控制信息，对所述其中一路鉴相单元锁定的相位进行调整。
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